徐一清，呂衛(wèi)君，周國泉，戴朝卿

(浙江農(nóng)林大學 理學院，浙江 臨安 311300)

單色LED光學特性的測量與研究

徐一清，呂衛(wèi)君，周國泉，戴朝卿

(浙江農(nóng)林大學 理學院，浙江 臨安 311300)

文中設(shè)計了LED光源譜線寬度測試實驗。利用WGD-6型光學多道分析儀和TS-100A光纖光譜儀兩套實驗裝置對紅、黃、綠、藍、紫等5種不同顏色LED光源的波長、相干長度和譜線寬度作了對比性測量。實驗結(jié)果表明，LED光譜功率分布近于高斯分布，是很好的窄帶光譜；5種單色LED光譜的半強度寬度均≤36.47 nm，光譜純度較好，其中綠光LED的半強度寬度最大，紫光LED的半強度寬度最小，表明紫光的單色性最好。兩種測試方法的結(jié)果是相吻合的，與廠家標稱值基本一致。

發(fā)光二極管；譜線寬度；光學多道分析儀；光纖光譜儀

發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)被稱為第4代照明光源，是21世紀最有發(fā)展前景的新型光源。由于LED的發(fā)光強度高、功耗低、可靠性高、易于調(diào)光調(diào)色、小巧、綠色環(huán)保等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于照明、顯示、溫室補光等領(lǐng)域[1-2]。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，市場上已出現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、藍等各種顏色的LED產(chǎn)品。為了進一步促進LED生產(chǎn)質(zhì)量的提高和推廣應(yīng)用，對LED光學特性參量的測量研究顯得越來越重要和迫切[3]。本文利用光學多道分析儀，對市面上銷售的紅、黃、綠、藍和紫等5種單色LED在額定工作電流下的波長、光譜峰值、光譜寬度等光學參量進行了測量和研究，同時利用積分球、光纖探頭、光纖光譜儀、計算機等設(shè)備設(shè)計LED光譜測試裝置，進行對比性實驗。

1 測量原理與實驗裝置

1.1 LED相關(guān)參量的定義

1)峰值波長

峰值波長指光譜發(fā)光強度或輻射功率最大處所對應(yīng)的波長。

2)譜線寬度

光波的相干長度與光源發(fā)出的光波的譜線的單色性有關(guān)。由于實際的發(fā)光原子都處于不斷的熱運動中，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，躍遷輻射的單色光不可能只有單一波長(或頻率)，總有一定的波長范圍Δλ或頻率范圍Δν。Δλ被稱為譜線寬度。如果中心波長所在處光強為I0，通常把強度降為

處的波長范圍Δλ作為譜線寬度。Δλ越小，其單色性越好[4-5]。

1.2 光學多道分析儀測量系統(tǒng)與調(diào)試

光學多通道分析儀(opticalmultichannelanalyzer，OMA)是一種采用多通道快速檢測和顯示微弱光譜信號的電子光學儀器，能方便地給出各種待測光譜的光譜曲線和光譜數(shù)據(jù)，可用于快速光譜分析及各種光譜研究。本實驗采用天津港東科技發(fā)展股份有限公司生產(chǎn)的WGD-6型光學多道分析儀[6]，該儀器由光柵單色儀、CCD接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元和計算機組成，集光學、精密機械、電子學、計算機技術(shù)于一體，可用于分析300～900nm的光譜。LED光譜特性測量裝置示意圖如圖1所示，在LED驅(qū)動電路中，用直流穩(wěn)壓電源進行供電，開關(guān)和電位器用于控制單色LED的亮滅和強度，毫安表用于測量LED的驅(qū)動電流。光學多道分析儀的入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度為0～2mm且連續(xù)可調(diào)。LED在額定電流驅(qū)動下發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，通過M1反射的光束經(jīng)M2反射后成為平行光束投向光柵攝譜儀G。光柵攝譜儀采用反射式平面閃爍光柵作色散元件，拍攝原子或分子光譜。經(jīng)G衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3成像在S2上。M2和M3的焦距均為302.5mm，光柵G刻線600 條/mm，閃耀波長550nm。

M1：反射鏡；M2：準光鏡；M3：物鏡；M4：轉(zhuǎn)鏡；G：平面衍射光柵；S1：入射狹縫；S2：觀察窗或出射狹縫圖1 光學多道分析儀測量LED光譜特性示意圖

利用光學多道分析儀測量LED光譜特性有如下4個步驟。

1)消除背景光的影響。打開計算機及光學多道分析儀，點擊計算機系統(tǒng)桌面的“WGD-6”快捷鍵，啟動WGD-6控制處理系統(tǒng)。點擊工具欄的“運行”，在下拉菜單中點擊“實時采集”；采集結(jié)束，單擊工具欄下“停止”。點擊工具欄的“運行”，在下拉菜單中點擊“背景記憶”，運行1～2s后彈出采集背景結(jié)束對話框，點擊“確定”，背景采集結(jié)束。

2)用汞燈的發(fā)射光譜對光學多道分析儀定標[7]。用以定標的汞燈發(fā)射譜線數(shù)據(jù)如下：紅光區(qū)的定標起始波長為574nm，定標發(fā)射譜線分別是576.96nm，578.97nm和730.96nm；藍紫光區(qū)的定標起始波長為400nm，定標發(fā)射譜線分別是404.67nm，435.83nm和546.07nm。

3)調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓和電位器，使毫安表電流讀數(shù)為LED額定工作電流(10～20mA)。

4)通過調(diào)節(jié)LED前的匯聚透鏡，使LED光斑聚焦在光學多道分析儀的入射狹縫中間；通過調(diào)節(jié)入射光狹縫大小和移動光源減少光照，使圖像尖銳。調(diào)整好之后，點擊工具欄下的“停止”，實時采集完畢。在完成實時采集之后，對光譜圖進行尋峰。

1.3 光纖光譜儀測量系統(tǒng)與調(diào)試

近幾年出現(xiàn)的光纖光譜儀具有體積小、測量速度快等優(yōu)點，用其進行LED光譜測量是研究的趨勢和熱點。光纖光譜儀測量LED光譜特性實驗裝置如圖2所示，主要包含LED驅(qū)動電路、積分球和光譜數(shù)據(jù)采集與處理三個部分[8]。在LED驅(qū)動電路中，用直流穩(wěn)壓電源進行供電，開關(guān)和電位器用于控制LED的亮滅和強度，毫安表用于測量LED的驅(qū)動電流；積分球用于對LED發(fā)出的光進行光譜和強度平均，使色度測量更加準確，LED從入射孔置于積分球內(nèi)，在出射孔處可以觀察或測量LED的顏色；光譜數(shù)據(jù)用光纖光譜儀(含計算機)進行采集和處理，最終計算出LED的色度。

圖2 光纖光譜儀測量LED光譜特性示意圖

系統(tǒng)中使用的積分球直徑為0.3m，光纖光譜儀型號為TS-100A，波長測量范圍為380～1 100nm，光譜分辨率優(yōu)于0.4nm。

利用光纖光譜儀測量LED光譜特性的測量有如下3個步驟。

1)鼠標左鍵雙擊桌面上“Spectrum”圖標，啟動軟件，先測量背景光并保存。

2)點亮LED，并調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓和電位器R使LED工作于額定電流。實時測量LED光譜數(shù)據(jù)，并按下“減扣背景光”按鈕，在光譜圖中自動減去已經(jīng)測量和保存的背景光(波長定標工作在光譜儀出廠前已經(jīng)完成，不需要擅自改變)。

3)通過調(diào)節(jié)LED電流和移動光源減少光照，使圖像尖銳。調(diào)整好之后，點擊工具欄下的“停止”，實時采集完畢。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 LED試件參數(shù)

本實驗中用的LED為浙江彩虹光電有限公司生產(chǎn)的超高亮草帽型封裝LED，具體參數(shù)見表1。

表1 LED主要光色電參數(shù)

2.2 光學多道分析儀測試數(shù)據(jù)

現(xiàn)以藍光LED為例，采用SigmaPlot軟件處理實驗數(shù)據(jù)，可以得到其光譜特性曲線，如圖3所示。從圖3可知，藍光LED的發(fā)光光譜在半強度波長為452.20nm和477.25nm時，其光譜的半強度寬度Δλ約為25.05nm，峰值為463.61nm，光譜功率分布近于高斯分布，是很好的窄帶光譜。對各種不同顏色的發(fā)光二極管的峰值波長和半波長測量的結(jié)果見表2。

圖3 藍光LED光譜分布圖

將光學多道分析儀測量所得的5個不同顏色LED光譜數(shù)據(jù)文件(txt格式，每個文件含2 048個數(shù)據(jù)，下同)導(dǎo)入SigmaPlot軟件，將相對光強進行歸一化處理，在同一坐標系中的光譜圖如圖4所示。

表2 光學多道分析儀測量的各種顏色LED的峰值波長和半波長(t=22.0 ℃) nm

圖4 光學多道分析儀測得LED光譜分布圖

2.3 光纖光譜儀測試數(shù)據(jù)

以紅光LED為例，光纖光譜儀測試系統(tǒng)得到的光譜特性曲線截圖如圖5所示。利用軟件尋峰讀出其峰值為633.27 nm，紅光LED的發(fā)光光譜在半強度波長為620.70 nm和641.80 nm時，其光譜的半強度寬度Δλ約為21.1nm，光譜功率分布近于高斯分布，是很好的窄帶光譜。對各種不同顏色的發(fā)光二極管的峰值波長和半波長測量的結(jié)果見表3。

圖5 紅光LED光譜分布圖

表3 光纖光譜儀測量的各種顏色LED的峰值波長和半波長(t=22.0 ℃) nm

將光纖光譜儀測量所得的5個不同顏色LED光譜數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入SigmaPlot軟件，將相對光強進行歸一化處理，在同一坐標系中的光譜圖如圖6所示。

圖6 光纖光譜儀測得LED光譜分布圖

2.4 數(shù)據(jù)分析

對比光學多道分析儀和光纖光譜儀的光譜測試數(shù)據(jù)可知，兩種測試方法的結(jié)果是相吻合的。5種單色LED光譜的半強度寬度均≤36.47 nm，光譜純度較好。其中綠光LED的半強度寬度最大，紫光LED的半強度寬度最小，表明紫光的單色性最好。光學多道分析儀測量的譜線峰值波長比光纖光譜儀測量的數(shù)據(jù)整體偏大，但與出廠標稱值基本相符，說明兩種方法測量的精度均較高。

從圖4和圖6中可觀察到光纖光譜儀測出的曲線較為平滑，波峰尖銳，一致性較好；而光學多道分析儀測出的曲線噪音較大，對稱性較差。其原因是光纖光譜儀測量系統(tǒng)通過光纖導(dǎo)入信號，內(nèi)部沒有移動部件，掃描速度快，可靠性高，波長重復(fù)性好。相對而言，光學多道分析儀影響光譜質(zhì)量因素較多，手動定標、狹縫寬度調(diào)節(jié)等均會造成測量誤差。

3 結(jié)束語

通過光學多道分析儀和光纖光譜儀分別測量了5種單色LED光源的波長、相干長度、譜線寬度，而對比實驗數(shù)據(jù)驗證了兩種方法的可行性。本實驗內(nèi)容涉及輻射學、光電檢測、LED照明、數(shù)據(jù)處理軟件等多門課程，需要多門學科的知識。實驗前期的調(diào)試準備工作及實驗的實施過程，將理論知識與實踐相結(jié)合，使學生豐富了知識，開闊了視野，加深了學生對知識的掌握，提高了學生的動手能力，同時又增加了工程實踐經(jīng)驗。

[1]周國泉，徐一清，付順華，等．溫室植物生產(chǎn)用人工光源研究進展[J].浙江林學院學報，2008，25(6)：798-802．

[2]曲溪，葉方銘，宋杰瓊，等．LED燈在植物補光領(lǐng)域的效用探究[J].燈與照明，2008，32(2)：42-45．

[3] 李秀梅，吳群勇，肖韶榮．發(fā)光二極管的光電特性測試實驗[J].物理實驗，2013，33(12)：1-4．

[4]吳柳．大學物理學(下冊)[M].北京：北京交通大學出版社，2009．

[5] 楊胡江，王鑫，謝儀倫，等．發(fā)光二極管電光特性及其應(yīng)用[J].物理實驗，2013，33(1)：43-45．

[6]趙麗華，戴朝卿．大學物理實驗[M]北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2013．

[7]劉暢，王世才，盧東昱．利用光學多通道分析儀與分光光度計測定葉綠素的紫外-可見光區(qū)吸收光譜[J].物理實驗，2005，25(12)：38-41．

[8] 錢惠國．紅綠藍三色LED調(diào)色特性的實驗研究[J].實驗科學與技術(shù)，2015，13(1)：27-30．

Measurement and Research on the Optical Properties of LED

XU Yiqing, Lü Weijun,ZHOU Guoquan, DAI Chaoqin

(School of Sciences, Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, China)

Based on a WGD-6 optical multichannel analyzer and a TS-100A fiber spectrometer, two kinds of experiment systems were designed to test the optical properties of 5 kinds of different colors LED (such as red, yellow, green, blue and violet), including the wavelength, the coherent length and the spectral linewidth of LED light source. The results show that the measured LED spectral power distribution approximates to Gaussian distribution and it is a typical narrow spectrum. The half-intensity width of 5 kinds LED is all less than or equal to 36.47 nm, so the LED’s spectral purity is good. The half-intensity width of green light LED is the largest and the violet light LED’s is minimum, so the mono=chromaticity of violet light is the best. The measurement results of the two methods show that they are in agreement and the test data is nominal with manufacturer.

LED; spectral width; optical multichannel analyzer; fiber spectrometer

2015-06-09；修改日期:2015-06-23

浙江農(nóng)林大學實驗室管理與改革項目(SYB1 212)；浙江省教育廳科研項目(Y201225628)。

徐一清(1981-)，男，實驗師，主要從事大學物理實驗教學工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.013